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使用PμSL 3D打印技術制備金納米花包覆的光敏感元結構用于癌癥熱療

來源:深圳摩方新材科技有限公司   2024年12月11日 15:00  

貴金屬納米顆粒特性特別,在生物醫學領域具有應用價值,如光熱治療(PTT)技術,可實現微創抗癌治療,相較于化療等對健康細胞損害較小。然而,PTT存在諸多問題,如毛細血管滲漏綜合征、皮膚癥狀及深層治療無效等,限制了其的廣泛應用,若采用過渡金屬氧化物納米顆粒則有望改善光療缺陷。金納米顆粒(AuNPs)因其穩定性、生物相容性、高效光熱轉換及局部等離子體共振(LPR)特性,在熱療研究中備受青睞。


在與其他傳統3D打印技術相比較,例如立體光刻(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、熔融沉積建模(FDM)等,水凝膠所需的3D打印技術,旨在實現復雜結構的高效率構建、時間有效利用以及超高打印精度,從而尋求在多個維度上的最佳平衡。來自馬克斯-普朗克研究所、薩班哲大學的研究團隊,最終選擇采用摩方精密面投影微立體(PμSL)光刻3D打印技術,結合計算機輔助設計軟件,實現了kirigami結構的精準打印。


相關研究成果以“Fabrication of Gold Nanoflower-Coated Photosensitive Meta Structures Using PμSL 3D Printing for Hyperthermia Applications”為題發表在國際期刊《ACS Applied Polymer Materials》上。


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該研究對五種不同配方的LIHAM水凝膠進行了系統的形態、物理及熱學特性比較分析。這些水凝膠的制備原料包括西蘭花提取物、聚多巴胺(PDA)、玫瑰紅(RB)、N-異丙基丙烯酰胺-聚乙二醇(NIPAM-PEG)的共聚物以及金納米花。隨后,本研究進一步深入探討了不同添加劑材料對水凝膠性能的促進作用。此外,通過對比實驗,該研究詳細考察了水凝膠的可打印性、最佳曝光時間以及適宜的光強度,以確立理想的LIHAM水凝膠制備標準。


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圖1. (a) 展示了制備LIHAM水凝膠的溶液合成步驟及所需化學試劑,包括HEMA、PEG、PEGDA和TPO-L;(b) 描述了在先前研究中,如何將玫瑰紅(RB)與由西蘭花提取物和PDA合成的AuNPs進行結合并包覆的實驗步驟。

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圖2. 摩方精密 microArch® S240(精度:10 μm)生物打印機制備kirigami結構的詳細步驟,以及制備LIHAM水凝膠的具體流程。

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圖3. 根據不同打印時間和強度參數,制備了LIHAM kirigami水凝膠。

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圖4. 以西蘭花提取物為原料成功制備的AuNPs,以及其四類混合物。

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圖5. AuNPs的形態學、光學、熱學及生物分析。

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圖6. 五種水凝膠在500至4000 cm-1波數范圍內的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析。

研究團隊對五種不同配方的水凝膠進行了差示掃描量熱法(DSC)分析,以觀察相變、玻璃化轉變溫度(Tg)值和反應。同時,對這五種水凝膠進行了熱療分析,以檢驗熱療效果,這是研究的重要目標之一,并證明開發的水凝膠是具有光熱響應的。


實驗數據表明,LIHAM水凝膠的Tg值為36.15°C,而LIHAM@AuNPs水凝膠的Tg值提升至37.16°C,表明AuNPs的加入增強了NIPAM與PEG間的物理鍵,限制了分子運動。AuNPs與AuNPs@RB間的化學鍵較強,RB的加入僅輕微降低了Tg值。FTIR分析顯示,LIHAM@AuNPs與LIHAM@AuNPs@RB間的峰值差異顯著,RB的加入猝滅了AuNPs的部分化學鍵,導致Tg值下降。


LIHAM@AuNPs@PDA水凝膠的Tg值增至40.93°C,反映出AuNPs@PDA間強鍵的作用,增加了水凝膠的活化能。LIHAM@AuNPs@PDA@RB水凝膠需最高能量,共軛AuNPs@PDA@RB增強了化學鍵,分子運動需更多能量,Tg值達42.34°C。


LIHAM水凝膠未顯示熔點,呈無定形結構。但隨著添加劑增加,尤其是LIHAM@AuNPs@PDA@RB水凝膠,DSC分析顯示半結晶聚合物結構,結晶溫度43-45°C,熔點46.14°C,熔化需0.23040 J/g焓。水凝膠由無定形轉變為半結晶,化學和物理鍵的變化解釋了機械性能的提升和Tg值的增加。LIHAM水凝膠的透明性表明其為無定形聚合物,而LIHAM@AuNPs@PDA@RB水凝膠的半透明性及DSC分析結果證實其為半結晶結構。


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圖7. 不同水凝膠的DSC分析及這些水凝膠的玻璃化轉變溫度(Tg)值。


隨后,研究團隊針對這五種水凝膠在未啟動加熱裝置的前提下,進行了565 nm黃色激光的照射處理,并對其形狀變化進行了細致的分析。圖8展示了LIHAM系列水凝膠在實驗過程中的形態演變,依次展示了水凝膠打印完成后的原始狀態、在565 nm黃色激光照射20分鐘后的變化狀態,以及在加熱器加熱20分鐘后的最終形態。


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圖8. (a) 在565nm(黃色激光)光源下,對不同水凝膠進行熱療分析,這是AuNPs、RB和PDA提高溫度的最佳光源,展示了水凝膠在初始狀態、經過565nm激光照射20分鐘后以及隨后加熱器加熱20分鐘后的厘米尺度長度變化。(b) AuNPs、RB和PDA光敏劑在三種不同可見光源(470nm(藍色),565nm(黃綠色)和625nm(紅色))下照射20分鐘后的溫度變化。(c) 不同水凝膠在初始狀態、565nm激光照射和加熱器加熱后的長度變化。

總結:本研究組成功研發的LIHAM@Au@PDA@RB水凝膠在熱療領域表現出了優異的應用潛力,它有可能在癌癥治療過程中替代被切除的組織,發揮重要作用。本研究的成果不僅為水凝膠在光熱治療領域的應用提供了新的思路,同時也展示了其作為癌變區域皮膚貼片的巨大應用前景。該水凝膠在機械性能、熱學性能以及形態穩定性等方面的優異表現,充分證明了其作為一種具有廣闊發展空間的高性能材料的價值。

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